微电网技术在高原高寒地区配电网供电中的应用综述

杨金东，杨延军，吴万军

（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217； 2.云南电网有限责任公司迪庆供电局，云南 迪庆 674400）

0 前言

高原高寒贫困地区是社会、经济发展较为薄弱地区，其电网基础设施相对落后，传统能源难以保证当地经济、社会发展的需求。加之地理环境复杂，自然灾害多发，深度贫困，供电问题突出。且此类地区多处于配电网的末端，网架薄弱，对外单条输电线路供电联络，不满足N-1可靠性配置，因设备检修、故障年度停电时长可达200 h以上。同时电压不合格问题非常突出，由此带来的电器损坏、客户投诉、小水电弃水等现象严重，制约着当地的生产、生活发展。此外，这类地区生态脆弱，环保要求高，网架建设易破坏生态，受环保、地理、投资条件限制，短时间内难以通过电网规划建设完善网架，使得供电与生态保护矛盾长期存在，亟待寻求兼顾供电可靠性、环保要求、电网收益的解决方案。

本文从高原高寒贫困地区配电网供电问题的常规技术出发，分析常规技术存在的局限性，引出采用微电网技术解决高原高寒贫困地区配电网供电问题的观点，结合国内外微电网技术研究现状，提出了适用于高原高寒贫困地区微电网典型模式，阐述了高原高寒贫困地区微电网规划设计、控制、设备测试及选型和电能质量治理等关键技术及存在问题与考虑。为高原高寒贫困地区形成绿色可持续能源解决方案，探索智能配电网业务发展提供新的技术支撑。

1 现有技术手段及其局限性

解决高原高寒贫困地区配电网供电问题是一项涉及多专业、多维度的复杂系统工程，既与电网的运行、维护、规划建设紧密相关，也与政府环保、林业等相关部门政策千丝万缕。根据调查研究结果，目前解决高原高寒贫困地区配网供电问题的常规技术手段主要有生产技改、故障定位隔离、规划建设和微电网技术4种，此外还有严格的配电网管理措施。

1.1 生产技改

在生产技改方面，主要是指运用新技术、新产品等高新技术，对电网进行局部的改造，提高配电网供电可靠性和对电压偏差的耐受度[1]，例如对设备升级改造和更换，推广带电作业、无人机等方式，然而，生产技改只能局部改善网架，对于N-1供电问题，仍然无法解决。

1.2 故障定位隔离

在故障定位隔离方面，采用10 kV馈线配电自动化，但受限网架N-1问题，无法转供电，安装故障指示器，开展故障定位[2]，受产品功能及使用寿命限制，应用效果不佳，故障定位正确率不到20%，这些方法也无法从根本上解决高原高寒贫困地区供电问题。

1.3 规划建设

在规划建设方面，主要考虑高压配电网规划升级和建设改造，往往容易忽略中低压配电网的规划和建设改造，而恰恰中低压配电网是乡镇发展不可或缺的重要支撑。中低压配电网规划建设时普遍存在单条线路供电联络，不满足N-1可靠性配置，导致中低压配电网网架薄弱、电力通信设施落后，电压越限等电能质量问题突出，很难满足乡镇发展要求[3]。

对于高原高寒贫困地区，地理条件更加恶劣、加之投资回报率低，环保限制明显，通过新建线路、变电站等电网建设措施提升供电质量更加困难。

1.4 微电网技术

微电网是指分布式电源、用电负荷和储能设备共同构成的微型配电网，支持并网运行和独立自主运行[4]。目前采用含可再生能源的微电网技术解决供电问题是一种新的趋势。考虑高原高寒贫困地区的地理，经济发展状况，因地制宜开发利用可再生能源是可持续发展必然趋势[5]。现阶段，多种可再生能源互补、分布式发电并网控制、微电网等技术已相对成熟，为解决高原高寒贫困地区供电问题提供了思路[6]。

2 微电网典型模式

高原高寒贫困地区存在大量无电或缺电情况，但此类地区多具有多种类型的可再生能源资源，如水能、太阳能、风能与生物质能等。因地制宜地利用多种可再生能源构建含可再生能源的微电网系统是解决高原高寒地区供能问题的重要途经。可再生能源微电网技术是一种普适性技术方案。由于不同地域可再生能源资源禀赋各异，可再生能源微电网技术模式多种多样[7]。主要包括离网型、并网型、冷热电联供型和微电网群等模式。

2.1 离网型

如图1所示，离网型微电网是由柴油发电机组，光伏、风电及其他分布式可再生能源发电，储能和用电负荷组成。具备独立供电及独立储能功能，柴油发电机或者储能装置采取电压源模式提供稳定电压进行供电，光伏、风电及其他分布式发电以电流源模式接入，结合柴油发电机和储能装置共同支撑负荷运行。离网型微电网多应用于远离大电网的区域，例如海岛、戈壁滩、偏远农村和山区等地区[8]。

图1 离网型微电网基本架构图

2.2 并网型

如图2所示，并网型微电网主要是由光伏、风电及其他可再生能源发电单元、储能装置、负荷单元和电网构成，区别离网型微电网之处在于，其直接并入大电网。具备并网运行和独立自主运行能力，并网运行时，由电网提供电压支撑，光伏、风电等分布式电源直接以电流源模式接入，结合储能设备和负荷协调运行。独立运行时，可断开电网，由小水电机组、储能等提供电压支撑，光伏、风电等分布式电源直接以电流源模式接入，共同支撑负荷运行[9]。并网型微电网广泛应用于大型区域供能网络和电网覆盖到的可再生能源资源丰富地区。

图2 并网型微电网基本架构图

2.3 冷热电联供型

如图3所示，冷热电联供微电网是指由电力网络和热力网络共同构成的微电网单元。电力网络包括光伏、风电、水电等分布式发电单元、储电单元和电力负荷等。热力网络由太阳能热利用、热电联产装置、储热单元和热负荷构成。电能和热能通过热电联产装置构架联系，共同支撑微电网协调运行。冷热电联供微电网主要运用于相对集中富裕地区及园区综合能源服务方面[10]。

图3 冷热电联供型微电网架构图

2.4 微电网群

如图4所示，微电网群是指多个微电网共同组成的微电网集群系统。主要强调各个微电网直接的相互联系和协调运行。充分利用区域能源结构，因地制宜就地支撑负荷运行。同时微电网群间协调互补，最大化发挥可再生能源资源优势。这势必要求微电网更加智能化[11]。

图4 微电网群架构图

3 微电网关键技术及其考虑

随着可再生能源发电技术和储能利用技术的迅猛发展，微电网技术的研究与应用在全球获得了广泛关注。国外方面，美国和日本在微电网技术研究与应用方面处于领先地位，欧洲各国紧跟其后。他们主要针对微电网技术中的系统构成、控制、能量管理、保护、运维等方面进行了大量研究，并先后建设了一定数量的微电网实验平台和示范工程。美国发展微电网技术的主要目的为服务军事基地，保障其供电可靠性同时达到缓解供电网络高峰供电压力。日本研究微电网技术主要服务于智能社区建设方面，提高居民生活品质。欧洲则更倾向于保护环境，降低用电成本，实现可再生能源最大化利用。目前，国外对微电网技术的研究大都集中于关键技术和示范应用，技术层面多为定性分析，量化分析较少，而示范工程又多应用于发达地区智能化供电，在高原高寒贫困地区由于其技术适用性差，基本无应用。

伴随着分布式发电迅速发展，微电网技术在该领域实现了高级拓展和应用，相较于美日等国，我国在微电网领域的研究起步较晚，但大量的学者开展了深入的研究，近几年微电网控制优化、协调运行、电能质量提升等技术发展迅猛。文献[12-13]分别从经济性和稳定性角度出发，通过超短期预测技术和动态下垂控制策略给出了微电网运行优化控制方法。文献[14]提出了基于小波分析和概率模糊集策略集合的马尔可夫决策过程的微电网并网点功率优化控制方法，来实现微电网系统友好并网。文献[15]基于三环控制策略提出了微电网并网/离网双模式无缝切换技术，保障微电网稳定运行。文献[16]考虑可再生能源的波动性和多市场博弈的复杂关系的前提下，提出了一种基于两阶段鲁棒博弈模型的交直流混合微电网协调能量管理方法。文献[17]从微电网主逆变器角度出发，提出了一种基于虚拟谐波阻抗的谐波抑制策略来提高微电网电能质量。文献[18]运用电路叠加理论提出一种基于输出电压复合控制逆变器并网谐波电流抑制策略，降低并网逆变器向微电网注入的谐波电流。可以看到国内学者对于微电网技术研究主要侧重于微电网的控制和优化、并离网模式无缝切换，交直流混合微电网和多微电网协同优化的运行、能量管理、电能质量治理等。但从实际需求出发，考虑经济、可靠的适用于高原高寒贫困地区微电网技术的设计集成、能量管理和可持续发展模式还亟待研究。

3.1 规划设计

在规划设计领域已有众多机构开展了研究，并开发了微电网规划软件[19]，如美国圣地亚国家实验室的微电网设计软件（MDT），其具备微电网选址定容功能；美国新能源国家实验室的可再生能源互补发电优化建模（HOMER）软件，其具备系统仿真分析功能，可进行微电网辅助设计[20]；美国能源局下属的伯克利国家实验室的分布式能源客户选择模型（DER-CAM）软件，其可根据目标设定经济性约束条件进行微电网设计[21]。中国科学院广州能源研究所的热冷电三联产系统优化设计工具包（DCOT）软件，其主要针对冷热电3种供能方式进行组合规划设计；天津大学的微电网规划设计软件（PDMG），可通过系统经济性与技术性综合考量来进行微电网规划设计[22]。不同微电网规划设计软件具有不同优化目标和特征，上述软件多数在实际微电网工程规划设计中得到验证，应用效果良好。但现有的微电网设计软件多侧重于微电网中供电系统的需求分析，如保证供电的可靠性、经济性、灵活性，保障分布式发电设备安全接入等。而与之相关的其他能源规划设计则考虑不足，技术方案相对简单。此外，设计软件还缺乏用于综合分析各种能源需求的评价指标体系和评价方法，不具备方案自动生成、用户自动比选和优化设计的功能，因此，规划设计技术已成为制约微电网在可再生能源丰富的边远地区大范围推广应用的一个重要瓶颈，亟需解决。

3.2 运行控制

在微电网系统运行和能量管理控制方面，研究内容主要包括多微电网分层控制和各种形式微电网能量管理以及微电网多能协调控制运行等。

能量管理方面，目前国际上的主流能量管理技术为储能单元与发电单元统一建模的能量平衡优化技术、基于多Agent的微电网能量管理技术等，通过对不同形式供/用能系统的联合调度实现微电网系统经济运行和环境效益最优化，例如美国可再生能源国家实验室的HOMER能源系统软件，该软件包含能量管理相关策略与模型。日本松下电器公司的建筑能量管理系统、家庭能量管理装置等产品，在日本藤泽、横滨可再生能源小镇中实现商业应用[23]。丹麦技术大学（DTU） 建立了Bornholm 岛微电网控制系统，实现了多能互补系统的并离网稳定运行。奥尔堡大学在微电网分布式集群自治控制方面提出了分层控制算法，用于提高控制性能[24]。在国内，也有一些机构进行了能量管理控制技术相关研究。中科院电工所、天津大学等单位开发了含村级能量管理系统和家庭能量管理装置的分层分布式能源管理系统，以及园区能量管理系统，并在青海、天津等地示范应用。

在微电网系统多能协调控制策略研究方面，综合考虑集中式控制体系与分散式控制体系的优缺点，国内外研究学者提出了一种基于网络控制理论的分布式控制体系及相应的控制方法。考虑微电网系统中物理环境的分布性与复杂性，研究人员以传感网为通信媒介，针对微电网系统分布式控制体系开展了相应的分布式协同控制方法研究，如利用分布式协同控制技术构建了分布式电源无功出力和无功补偿设备的协同控制策略，以解决海量分布式电源的协同控制。但受微电网规模、结构、控制目标、约束条件等的多种因素影响，目前微电网系统的分布式协同控制问题研究还具有挑战性。目前的研究主要考虑通信对于控制性能的影响，控制目标比较单一，仅针对局部优化控制问题，且约束条件中对通信和计算力因素缺乏考虑。与分布式控制类似，分层控制体系也是一种综合集中式控制与分散式控制优点的控制体系，但与分布式控制仅能够处理物理特性完全相同的设备不同，分层控制可以用来控制具有不同物理特性的、互相连接的设备，即同时对分布式发电系统、储能系统、负荷等不同类型的设备进行协调控制，实现微电网系统的灵活管理和运营。同时增加信息监控与安全管理功能，从而降低通信网络干扰、中断威胁等对系统可靠性的不利影响。

3.3 设备选型

直至今日，国内电力电子设备的设计及应用标准对使用环境的要求都是海拔不超过2000 m，超过2000 m大多需降额运行，以满足其本身的功能和性能。究其原因，一则有关我国西部特殊环境条件下的基础国家标准长期处于空白状态，相应的电力电子产品标准严重缺乏，二则过去相当长一段时间内，高海拔偏远地区应用电力电子变流装置的工业较少，导致使用需求不多。虽然我国相关研究机构制订了部分高原环境的电力电子设备标准，并开发了部分高原型产品。但这些研究机构的研究对象主要以材料为主，对于电力电子整机设备测试方法和内容涉及甚微。

高海拔贫困地区具有较恶劣的自然气候条件，主要表现为空气压力或空气密度低、空气温度低、温度变化大、空气绝对湿度较小、大阳辐射照度较高等。在高原地区，设备测试选型需考虑高海拔环境因素对电气设备运行所造成的不良影响，选型时须注重提高电气设备可靠性和安全性，此外需要考虑降额配置。笔者认为设备选型时需要从以下几个方面考虑消除高海拔影响：①设备选型时电气设备电气间隙尽量大于高海拔校正因数；②开关设备要注重其开断灭弧能力；③注重电气温升处理能力，可做降额配置；④提升电气设备耐低温能力。

为突破高海拔地区储能和电力电子设备测试技术，笔者认为应首先分析高海拔地区特性，例如气压低、温差大、湿度小和辐射高等，对电力电子设备的影响机理。并开展多方面测试实验研究，如绝缘性能测试、产品温升测试、电弧性能测试、电气间隙测试、绝缘材料的热老化寿命测试、机械热应力测试、绝缘材料的加速老化测试等研究，然后基于现有相关适应高海拔地区的规范和标准，针对系统运行、系统设备及其电气特性，开展高海拔地区特性实验序列的研究，形成高海拔低地区针对光伏/储能等电力电子设备测试的多环境因子实验序列。通过测试单项测试实验、单个环境因子之间的相互影响关系来设计不同序列的实验方法，最后建立高海拔地区气候和多环境因数的电力电子设备测试方案，为高海拔地区设备选型提供支撑。

3.4 电能质量治理

高原高寒贫困地区微电网通常存在电压越限、三相不平衡和谐波谐振等电能质量问题，严重影响了微电网供电可靠性。由于国家精准扶贫政策的推动，新能源发电以区域形式爆发性的增长，给脆弱的农村配电网带来严重的谐波超标和电压偏差问题。伴随着大规模高密度、分布式的电源多点接入，农村配电网已呈现潮流复杂，运行控制困难等问题。加之，农村配电网供电能力本身较弱，线路阻抗大，基本以单相负荷为主，用电负荷分布不均，用电高峰期呈现严重的三相不平衡，导致某个单相电压过低、谐波增大。这更加剧了农村配电网电压越限、三相不平衡，以及谐波电流增大且呈现随机分布问题，极易造成配电设施和用户设备损坏[25]。

为了满足电网末端电压指标及供电要求，一般采取调整变压器分接头的措施使输出电压升高。此时在电网无负荷或轻负荷，以及光伏发电无法就地消纳的情况下，光伏发电接入将造成电网电压进一步抬升，超出标准上限，致使光伏逆变器停机，大量的光伏被弃光。部分光伏逆变器厂家以盈利为目的，不顾及供电质量问题，未依据电网功率平衡输出特性安装光伏，在电压超标的基础上强行发电，造成电网谐波、电压严重超标，单相电压最高接近300 V，使电网电压控制愈加复杂和困难，同时伴随部分家电被烧坏，使得国家精准扶贫政策形同虚设，给国家、贫困用户带来了极大的经济损失，而且给利国利民的光伏发电产生了负面的影响。

针对高原高寒贫困地区微电网电压越限问题，首先应分析问题产生原因，研究电能质量问题对微电网供电可靠性影响机理。以无功吸收总量最低为优化目标，提出Q(U,P)的加权方案，分析方案在低压微电网应用的可行性。然后利用 电压敏感性矩阵和准静态分析方法，综合考虑并网点电压和注入系统的有功功率，优化Q(P)方案的参数。进一步将无功器件与光伏逆变器相结合，使得光伏系统的备用无功容量增加为逆变器无功容量，解决逆变器无功容量限制的问题。

针对高原高寒贫困地区微电网谐波问题，应该首先分析谐振产生原因，区分电力电子变换器谐振类型，特别是研究谐振问题对微电网供电可靠性影响机理。针对微电网谐波谐振问题，利用系统模型和现场实测数据分析测量得到波形数据，从多个角度考察并网点谐波特性，确定引起谐波谐振的主要影响因素，分析各因素间的相关性，从而明确谐波的产生机理。然后研究微电网中并联逆变器组的输出滤波器电感电容元件的谐振条件，提出消除逆变器间LCL谐振的具体措施。进一步分析谐波电压和谐波电流在电力电子变换器测控电路及输出滤波电路中的分布传播规律，研究谐波谐振与分布式可再生能源发电并网变换器的线性控制功能之间的相互影响关系，从而获得对微电网谐波产生机理的系统认识，最后定量研究谐波谐振对微电网供电可靠性的影响程度和治理方法。

4 结束语

1）高原高寒贫困地区，地理环境复杂，深度贫困，供电问题突出，严重影响了当地生产、生活及旅游发展，且大都生态脆弱，环保要求高，网架建设易破坏生态。采用可再生能源微电网技术解决高原高寒贫困地区供电问题已成为新的趋势。

2）高原高寒贫困地区微电网模式选取应充分考虑基础网架、地域范围、小水电和光伏等分布式电源的接入情况，以并网型为主，若无一次网架覆盖的区域则以离网型为主，但都需兼顾冷、热供能负荷接入的便捷性。

3）现有的规划设计方法和软件不能完全满足高原高寒贫困地区微电网网架构建的需求，后续研究需考虑用于综合分析各种能源需求的评价指标体系和评价方法，设计软件应向规划方案自动生成、自动比选和优化设计等方面发展，以提升其可推广复制性。

4）控制方式需充分考虑区域内的小水电，以小水电为主调频调压电厂，光伏等间歇式分布式电源和储能辅助调频调压，兼顾源荷分布及其通信条件，选择控制模式。优先以分层集中式控制模式为主，如区域内有众多分布式发电接入则可考虑分布式协调控制。

5）目前，国内外在高原高寒地区设备选型方面研究甚微，缺乏精细化评估指标和模型。设备选型方法大多参考标准，考虑降额运行，经济性及适用性不足。后续应重点开展高原高寒地区环境因素对电力电子设备影响机理研究，构建精细模型指标，从源头完善设备结构、选材等，提升其适用性。

6）电能质量问题是微电网稳定运行不可忽视的问题之一，应针对性研究电能质量问题对微电网供电可靠性影响机理。尤其重点研究谐波谐振产生机理和防治方法，提升微电网的稳定性。

总之，在高原高寒贫困地区应用微电网技术解决供电问题，应综合考虑该类地区的可利用能源、负荷情况、微电网设备的响应和运行特性、初始投资、运行维护费用、环境影响因子、能源利用效率以及运行控制策略等因素，选取适合的微电网模式，有针对性地进行微电网规划设计、运行控制和设备选型等关键技术研究，使得整个微电网系统的可靠性、经济性、安全性、环境友好性能得以实现。并探索集装箱式，免维护的微电网建设模式，提升可复制性和推广性，以便推广复制到其他类似地区及其他国家电网。